Einfluss von Pepsin auf die Progression von Dentinerosionen
Nadine Schlüter et al.Neben Personen mit einem hohen Konsum an sauren Lebensmitteln können Patienten mit chronischen Refluxerkrankungen [Moazzez et al., 2005; Bartlett et al., 1996] und vor allem mit Essstörungen in Kombination mit Erbrechen [Öhrn et al.,
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| Abbildung 1: Deutliche Erosionen an der Innenfläche der Frontzähne des Oberkiefers aufgrund des Einflusses von Magensäure durch regelmäßiges Erbrechen. (Die aufgebrachten sternförmigen Marker dienen zur Beurteilung des Zahnhartsubstanzverlustes im Rahmen einer ersten klinischen Studie zur Überprüfung der Effektivität von Fluoridierungsmaßnahmen bei chronischem Erbrechen.) | |
Die Ursachen für endogen bedingte Substanzverluste sind nicht abschließend geklärt. Die einwirkende Magensäure ist mit einem pH-Wert von 1-3 sehr sauer und hat ein hohes erosives Potential. Durch die Salzsäure im Mageninhalt können 25-30 Prozent höhere Mineralverluste hervorgerufen werden als durch den Einfluss von Säuren, die in der Nahrung vorkommen, wie etwa Zitronensäure [White et al., 2001].
Erosionen sind im Schmelz ein reines Oberflächenphänomen. Die chronische Einwirkung von Säuren führt zu einem kontinuierlich von außen nach innen voranschreitenden Mineralverlust. Schnell voranschreitende Substanzverluste könnten daher allein durch die Stärke und das erosive Potential der einwirkenden Säure erklärt werden. Schreiten die Substanzverluste weiter voran, wird früher oder später Dentin exponiert. Dentin besteht nur zu etwa 45 Vol/Prozent aus Mineral und zu etwa 30 Vol/Prozent aus organischen Bestandteilen, hauptsächlich Kollagen. Im Dentin sind Erosionen daher kein reines Oberflächenphänomen. Durch die Säuren wird zwar auch hier der mineralische Anteil herausgelöst, aber gleichzeitig werden die organischen Bestandteile freigelegt [Breschi et al., 2002]. Studien haben gezeigt, dass Erosionen mit zunehmender Dicke der organischen Matrix langsamer voranschreiten, da diese Deckschicht eine Art Diffusionsbarriere darstellt [Ganss et al., 2004]. Nach der Entfernung der organischen Deckschicht durch proteolytische Enzyme schreiten Erosionen schneller voran. Die Progression von Dentinerosionen hängt also von der Präsenz der organischen Matrix ab. Aber auch die Wirksamkeit von Fluoridierungsmaßnahmen, die in der symptomatischen Therapie von Erosionen Anwendung finden, ist davon abhängig. Nach einer enzymatischen Entfernung der Deckschicht konnten Fluoride keine Wirkung mehr entfalten [Ganss et al., 2004].
Auch der Mageninhalt enthält proteolytische Enzyme, zum Beispiel Pepsin, die zusammen mit dem Mageninhalt beim Erbrechen oder im Fall eines Reflux in die Mundhöhle gelangen und so auf die erosiv veränderten Zahnhartsubstanzen einwirken können. Pepsin ist in der Lage, in verschiedenen Geweben, etwa in Bandscheiben [Osebold und Pedrini, 1976] oder Sehnen [Tsuzaki et al., 1993], Kollagen abzubauen. Auch im Dentin kann das Kollagen durch Pepsin degradiert werden [Tonami und Ericson, 2005; Kleter et al., 1997]. Eigene Versuche (unveröffentlicht) konnten zeigen, dass Pepsin auch im erodierten Dentin in der Lage ist, Kollagen abzubauen.
Diese Studien und die klinischen Beobachtungen lassen vermuten, dass Pepsin einen Einfluss auf endogen bedingte, erosive Mineralverluste im Dentin haben könnte. Weiterhin wäre es möglich, dass die Pepsindegradation der organischen Strukturen ebenfalls einen negativen Einfluss auf die Wirksamkeit von Fluoridapplikationen zur symptomatischen Therapie von Erosionen hat.
Ziel der vorliegenden in vitro Studie war es daher, den Einfluss der Degradation der organischen Dentinmatrix durch eine Pepsin-Salzsäurelösung auf einen säurebedingten Mineralverlust zu untersuchen. Außerdem sollte untersucht werden, ob Fluoridierungsmaßnahmen zur symptomatischen Therapie von Dentinerosionen durch eine vorherige Behandlung mit Pepsin beeinflusst werden.
Material und Methoden
Aus menschlichen, vormals vollständig retinierten, dritten Molaren wurden Dentinproben mit einer definierten Schichtstärke von 750 µm und einer Oberfläche von 10,6 mm2 hergestellt und auf vier Versuchsgruppen mit je 20 Proben aufgeteilt. Die Proben wurden über neun Tage einem zyklischen De- und Remineralisationsverfahren mit sechs Demineralisationsphasen von je zwei Minuten pro Tag unterworfen. Zusätzlich wurden die Proben zweier Gruppen nach der Demineralisation sechs mal täglich für jeweils eine Minute mit einer fluoridhaltigen Mundspüllösung behandelt (Meridol® Mundspüllösung, 250 ppm Fluorid, pH 4,2, GABA, Lörrach, Deutschland). Die Gruppeneinteilung lautete wie folgt:
Gruppe 1: Demineralisation mit einer HCl-Lösung (pH 1,6; 0,5 Gew. Prozent NaCl)
Gruppe 2: Demineralisation mit einer Pepsin-HCl-Lösung (pH 1,6; 0,5 Gew. Prozent NaCl, 1,5 mg/ml Pepsin)
Gruppe 3: Demineralisation mit einer HCl-Lösung (pH 1,6; 0,5 Gew. Prozent NaCl), Fluoridierung im Anschluss an die Demineralisation
Gruppe 4: Demineralisation mit einer Pepsin-HCl-Lösung (pH 1,6; 0,5 Gew. Prozent NaCl, 1,5 mg/ml Pepsin), Fluoridierung im Anschluss an die Demineralisation
Nach jeder Demineralisation in den Gruppen 1 und 2, sowie nach jeder Fluoridierung in den Gruppen 3 und 4 wurden die Proben für eine Stunde in einer Remineralisationslösung aufbewahrt [Gerrard und Winter, 1986]. Alle Behandlungen wurden bei 37 °C unter leichtem Schütteln in Sammelgefäßen mit 150 ml der jeweiligen Lösung durchgeführt. Von den Demineralisationslösungen der Gruppen 1 und 2 wurden am Ende eines jeden Versuchstages etwa 10 ml entnommen und bis zur weiteren Analyse eingefroren (-20 °C). Die Veränderung des Mineralgehaltes der Proben wurde mit der longitudinalen Mikroradiographie (LMR) ermittelt [de Josselin de Jong et al., 1988]. Der Mineralstatus wurde an den Versuchstagen 3, 6 und 9 kumulativ als Differenz zum Ausgangswert bestimmt (µm). Der Abbau des Kollagens durch das Pepsin wurde täglich über den Nachweis von Kollagenabbauprodukten in den Demineralisationslösungen nachgewiesen. Als Maß für den Kollagenabbau wurde Hydroxyprolin herangezogen, eine für Kollagen spezifische Aminosäure (Hydroxyprolinanalyse [Woessner, 1961; Stegemann und Stalder, 1967]).
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| Abbildung 2: Hydroxyprolingehalt (µg/ml) in den Demineralisationslösungen der Gruppe 2 |
Ergebnisse
In den Lösungen der Gruppe 1 ließen sich keine Kollagenabbauprodukte nachweisen. Die Lösungen der Gruppe 2 enthielten jedoch an jedem Tag deutliche Mengen an Abbauprodukten (Abbildung 2). Zu Beginn konnten 2,1 µg/ml Hydroxyprolin festgestellt werden, bis zum Versuchsende fiel die Konzentration an Hydroxyprolin jedoch ab (1,3 µg/ml). Der Abbau der organischen Matrix hatte allerdings keinen Einfluss auf die Progression der Mineralverluste (Abbildung 3). In den Gruppen 1 und 2 waren die Mineralverluste an Tag 9 nahezu gleich (Gruppe 1: 61,1±26,7 µm; Gruppe 2: 61,1 ± 19,0 µm; n.s.).
Die Fluoridierung (Gruppe 3) konnte den Mineralverlust reduzieren, aber nicht verhindern. An Tag 6 konnte eine Reduktion um 30 Prozent und an Tag 9 um 19 Prozent gemessen werden. Nach der Degradation der organischen Matrix durch Pepsin zeigten die Fluoride keine Wirkung mehr (Gruppe 4), der Mineralverlust an Tag 9 war in Gruppe 4 (62,6±17,1 µm) deutlich höher als in Gruppe 3 (49,9±15,1 µm; p?0.05) und vergleichbar mit dem in den Gruppen 1 und 2 (n.s.).
Diskussion
Der gewählte Versuchsaufbau sollte die klinische Situation simulieren, die bei einem Patienten mit einer Essstörung in Kombination mit Erbrechen auftritt. Dazu wurden die physiologischen Bedingungen im Magen nachempfunden (HCl-/NaCl-Lösung mit einem pH-Wert von 1,6 und 1,5 mg/ml Pepsin [Newton et al., 2004]). Wie Gespräche mit Bulimiepatienten gezeigt haben, ist ein sechsmaliges Erbrechen pro Tag keine Seltenheit, daher wurden sechs Demineralisationsphasen pro Tag gewählt. Die Dauer der Säureexposition entsprach etwa der Zeit, die zur Neutralisation von Säuren durch den Speichel in der Mundhöhle benötigt wird. Die Dauer einer einzelnen Anwendung der fluoridhaltigen Mundspüllösung entsprach den Empfehlungen des Herstellers.
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| Abbildung 3: Übersicht über den Mineralverlust (µm, Mittelwert ± Standardabweichung) in allen Gruppen, gemessen mit der longitudinalen Mikroradiographie |
Wie erwartet, konnte ein deutlicher Mineralverlust nach alleiniger Salzsäureeinwirkung gemessen werden. Und interessanterweise wurden durch die Einwirkung von Pepsin auch tatsächlich erhebliche Mengen an Kollagen abgebaut. Es hätte jedoch erwartet werden können, dass durch die Behandlung mit Pepsin der Substanzverlust ansteigt, zumal in Studien gezeigt werden konnte, dass Pepsin in der Lage ist, Kollagen im erodierten Dentin zu degradieren (eigene Daten unveröffentlicht, [Tonami und Ericson, 2005; Kleter et al., 1997]), und dass eine enzymatische Entfernung der organischen Deckschicht im Dentin zu einer schnelleren Progression eines erosiv bedingten Mineralverlustes führt [Ganss et al., 2004]. Jedoch hatte die Behandlung mit Pepsin keine Steigerung des Mineralverlustes zur Folge. Das liegt vermutlich daran, dass die organische Deckschicht durch das Pepsin nur teilweise entfernt wurde, was in rasterelektronenmikroskopischen Bildern von zusätzlich angefertigten Proben dargestellt werden konnte (Abbildung 4). Die verbliebene Deckschicht scheint auszureichen, um als Diffusionsbarriere zu dienen und um weitere Mineralverluste zu verhindern. Diese ersten Ergebnisse sind jedoch wahrscheinlich nicht einfach auf die Mundsituation zu übertragen, da die Situation in vivo deutlich komplexer ist als das in dieser Studie verwendete, stark vereinfachte Modell der Mundsituation. Vermutlich wirken dort verschiedene Enzyme, entweder aus dem Mageninhalt, zum Beispiel Trypsin, oder aus dem Speichel zusammen auf die Zahnhartsubstanzen ein, was einen vollständigeren Abbau der organischen Deckschicht bewirken könnte. Weitere Studien mit dieser Fragestellung könnten Aufschluss darüber geben.
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| Abbildung 4: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Transversalschnitts einer mit Pepsin behandelten Dentinprobe (Gruppe 2). Im unteren Bereich ist vollständig mineralisiertes Dentin zu erkennen. Darüber befindet sich die nur teilweise degradierte organische Matrix (a). |
Die Progression von erosiv bedingten Mineralverlusten im Dentin durch Zitronensäure kann in vitro wirksam durch Fluoridierungsmaßnahmen, etwa die Anwendung fluoridhaltiger Mundspüllösungen mehrfach pro Tag, verhindert werden [Ganss et al., 2001]. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass durch Salzsäure erzeugte Erosionen unter den gegebenen Versuchsbedingungen ebenfalls reduziert werden konnten. Nach der Einwirkung von Pepsin zeigten Fluoride, im engen Rahmen der Versuchsbedingungen, in vitro keine Wirkung mehr. Das könnte daran liegen, dass die organische Matrix durch das Pepsin strukturell so verändert worden ist, dass Fluoride nicht mehr ihre Wirkung entfalten können, wie in einer unveränderten Matrix. Es ist jedoch ungeklärt, wie sich Pepsin unter klinischen Bedingungen verhält und wie lange Pepsin nach dem Erbrechen tatsächlich auf die Zähne im Mund einwirkt. Eventuell sind Fluoridierungsmaßnahmen bei häufigerer Anwendung oder längerer Einwirkzeit dennoch wirksam. Die klinischen Erfahrungen mit einer intensiven Fluoridierung bei Patienten mit einer Essstörung sind jedoch durchaus positiv, so dass Fluoridierungsempfehlungen auch bei endogen bedingten Erosionen weiterhin gegeben werden sollten. Ob Strategien zur Enzymhemmung sinnvoll sind, müssen weitere Studien zu diesem Thema zeigen.
Zusammenfassung
Pepsin ist in der Lage, die organischen Strukturen im erodierten Dentin teilweise abzubauen. Dieser Abbau hat jedoch keinen Einfluss auf einen erosiv bedingten Mineralverlust. Nach der Einwirkung von Pepsin zeigen Fluoridierungsmaßnahmen zur symptomatischen Therapie von Erosionen zumindest unter den gegebenen Versuchsbedingungen keine Wirkung mehr. Dennoch sollten Fluoridierungsempfehlungen aufrechterhalten werden, da Fluoridierungsmaßnahmen bei Patienten mit Bulimie in der klinischen Praxis gute Ergebnisse zeigen und es bislang noch keine In-vivo-Studien über die Wirkung von Pepsin auf Zahnhartsubstanzen gibt.
Dr. Nadine Schlüter
PD Dr. Carolina Ganß
Prof. Dr. Joachim Klimek
Zentrum für ZMK
Poliklinik für Zahnerhaltungskunde und Präventive Zahnheilkunde
Schlangenzahl 14, 35392 Gießen
nadine.schlueter@dentist.med.uni-giessen.de
zm 97, Nr. 4, 16.02.2007, Seite 50-53